浅谈物理钢化玻璃张应力形成控制及应用

浅谈物理钢化玻璃张应力形成控制及应用

刘腾飞，张荣光，刘全顺，梁晓波）（天津南玻节能玻璃有限公司，天津　301700

摘要：通过分析物理钢化玻璃应力的形成原理，对钢化玻璃的应力进行管控，目的是在确保钢化玻璃表面压应力和碎片颗粒的前提下，尽量降低钢化玻璃内层的张应力，在一定程度上降低钢化玻璃的自爆。同时更进一步提升钢化玻璃的机械强度。

0　引　言

常温下玻璃是一种典型的脆性材料，从机械性能来看，它的抗压强度高，硬度也高，但它的抗张强度不高，玻璃的理论抗折强度为117.6×108帕，但是窗玻璃的实际理论抗折强度只有68.6×105帕，与理论值相差3个数量级。

玻璃实际机械强度比理论值低的原因是多方面的，一般是认为由玻璃表面微裂纹、结构不均匀、微观缺陷、残余应力等造成，玻璃表面的微裂纹是造成机械强度降低的主要原因。为了改善玻璃的机械性质，可以采取多种物理、化学方法来消除微裂纹，以达到提升机械强度的目的。物理钢化法是目前国内外广泛采用的一种生产钢化玻璃的方法。

物理钢化玻璃通过玻璃的热历史原理，使得钢化玻璃的应力分布在厚度方向上呈抛物线，表层为压应力，内层为张应力，当玻璃受到机械外力时，机械外力转化为应力，该应力与原有的钢化应力相叠加，引起应力偏移，张应力向钢化玻璃的压应力层移动，钢化行成的压应力会抵消一部分机械外力引起的张应力。虽然玻璃一个表层的压应力增大了，但由于玻璃的抗压强度远远大于抗张强度，因而玻璃不会破裂。同时钢化玻璃也由于内部存在张应力（钢化玻璃的自身张应力约为32～46MPa，玻璃的抗张强度是59～62MPa），张应力层出现硫化镍膨胀时，只要NiS- 16 -

膨胀产生的张应力在30MPa，加上玻璃自身原有的张应力，超过玻璃自身所能承受的极限，便引发自爆。本文通过分析应力产生机理，通过实验手段分析和检测应力的影响因素，通过控制应力，提升机械强度，在一定程度上控制钢化玻璃的自爆。

1　物理钢化玻璃应力的产生原理

1.1　物理钢化玻璃应力产生原理

玻璃的物理钢化过程就是把玻璃加热到低于软化点温度（其黏度值高于108dPa·s）后进行均匀的快速冷却。玻璃外部因迅速冷却而固化，玻璃是热的不良导体，内部冷却较慢。当内部继续收缩时使玻璃表面产生了压应力，而内部为张应力。

钢化玻璃的张应力存在玻璃的内部，当玻璃破裂时，在外层压应力的保护下，能够使玻璃保持在一起或称为布满裂纹的集合体，而且钢化玻璃内部存在的是均匀的内应力。根据测定，当内部张应力为30～32MPa时，可以形成0.6m2的断裂面，相当于把玻璃粉碎到10mm左右的颗粒。这就是解释了钢化玻璃在炸裂时分裂成不易伤人小颗粒的原因。1.2　影响玻璃物理钢化程度的因素1.2.1　玻璃化学组成对钢化度影响

钢化应力与线膨胀系数、弹性模量、导热系数、泊松比等有关，而这些都是由玻璃的化学组成所决定的。因此不同化学组成的玻璃钢化程度是不同的，碱

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金属氧化物的引入能够提高玻璃的钢化程度。若是不同化学组成的玻璃，其化学性能相差大的情况下，钢化处理时要考虑他们对加热温度、加热时间、冷却强度的要求。1.2.2　玻璃厚度的影响

根据平板玻璃热应力公式，在相同条件下，对于钢化组成相同的玻璃，钢化应力与玻璃厚度平方成正比例关系。当玻璃厚度较薄时，需要更大的冷却强度才能得到相同钢化程度，因此对一些玻璃存在厚度差异，厚度差异不能过大，避免因为应力分布不均而破裂。

1.2.3　冷却强度的影响

在实际工业生产中，一般采用的钢化工艺是风冷钢化。空气作为一种容易获得、洁净流量易控的冷却介质，应用于玻璃钢化工艺。用普通高压风机或空气压缩机将空气吹向加热后的玻璃板，使玻璃按照要求的冷却速率进行冷却，冷却强度越大，钢化应力越大。对于一台特定的钢化设备而言，吹风嘴的数量和截面积不变的情况下，能够影响钢化程度的因素就是：空气压力和风嘴到玻璃的距离。1.2.4　钢化玻璃应力与强度的关系

钢化玻璃应力与强度的关系，用以下公式来表示：

式中：σ钢化σ=（σ钢化退火）+为钢化玻璃的表面强度；X×Δ/B

σ（退火（1））

为退火玻璃的表面强度；X为钢化玻璃的表面压应力与中心层比值的绝对值，X=σ压/σ张；Δ为钢化度；B为玻璃的应力光学常数。

同时：Δ钢化度=B×107×σ（σ为钢化应力，MPa）

（2）

以上公式可以更新为σ钢化=σ退火式可+见：钢X×σ×化107

（3）

从以上公玻璃的表面强度σ随

着X的增加而增加。我们默认的钢化压应力在90～95MPa，张应力在32～46MPa；按照压应力不变的情况下，张应力分别在32MPa和46MPa计算的结果：

当张应力为32MPa时，钢化玻璃机械强度增加

=σ钢化-σ退火=X×σ×107=257.86×107；

当张应力为46MPa时，钢化玻璃机械强度增加=σ钢化-σ退火=X×σ×107=196.2×107。

前者为后者的1.3倍左右，如何控制并在满足性能的基础上最大化提升钢化玻璃的强度？通过以上分析我们得出：最优化的降低张应力，钢化玻璃强度会有1.3倍左右的变化。

2　钢化张应力在实际生产中的控制

玻璃的物理钢化过程是把玻璃加热到低于软化温度后进行快速冷却。钢化过程涉及的2个过程（加热和冷却）均会影响到应力产生效果。2.1　加热的均匀性

玻璃在加热炉内加热不均会使玻璃表面上产生分布不均的压应力。我们通过出炉口的高温红外扫描来检测经过完全加热后玻璃表面的温度情况，见图1。当玻璃加热均匀，冷却均匀的情况下，分布在玻璃表面的应力应该是相对均匀的。

611617618615617617620617620618622622622622620622625626623620626622622615617图1　玻璃钢化后表面应力均匀度红外扫描图

加热炉内会形成相对均匀的温度场。但是依然会存在局部的温度不均，致使玻璃内部也不可能形成绝对均匀的温度。导致加热不均的因素主要有：加热器的功率存在差异（加热功率大的区域温度高，加热功率小的区域温度低）；加热器故障不能正常加热；温度传感器失灵或校准不精确；温度设定不合理，炉体的边部有较多散热，温度设定应略高于中部，玻璃中间吸热多于边部，中间相对边部温度略高，这些因素为在设定中如未加体现将导致加热不均；玻璃码放不合理，由于辊道为热的不良导体，如反复使用某一区域会导致该区域温度降低而未放玻璃的区域该区域温度相对较高，下一批玻璃在此区域加热时温度相对较高；加热炉密封不良，出现局部散热较多；强对流

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在加热炉内也会造成局部温度不均。2.1.1　监控影响加热因素的原件的良好运转

通过上面分析，加热炉内这个温度场会受到很多因素的影响。通过精细化的监控加热原件、温度传感器原件、强对流正常运转，同时保证及时的信息故障反馈，是保证加热炉内温度场均匀的保证条件。2.1.2　通过红外成像验证加热后钢化玻璃整体温度效果

除了监控各个影响因素的正确运转外，红外成像为验证加热的均匀性提供了很好的参考。同时，利用红外线扫描提供的准确数据，进行加热距离温度局部调节，确保加热后的均匀性。2.1.3　优化的出炉温度

钢化工艺要求玻璃在加热炉内必须迅速、均匀地加热到所需要的温度，这是玻璃加热阶段的一个原则性要求。迅速是指玻璃必须在最短的时间内加热到钢化温度，避免玻璃加热时间过长而产生的光学变形。玻璃在达到设定温度时，必须迅速传出加热炉，一般上玻璃的出炉温度在600～630度之间最为适宜。为了得到良好的钢化玻璃外观质量，玻璃出炉温度在满足钢化要求的前提下应尽可能低，加热均匀性是出炉温度尽可能低的条件保证。2.2　优化的玻璃淬冷

钢化的淬冷对玻璃最终应力形成起着决定性作用。对玻璃淬冷的基本要求是使玻璃按照要求的冷却速率均匀地冷却，使玻璃获得均匀分布的应力。同

风压

时通过选择优化的风压、风嘴间距等参数调整玻璃的张应力在优化范围内。2.2.1　冷却影响因素

导致冷却不均的因素主要有风机风嘴分布不合理，风嘴间隙不均，使玻璃表面的风压分布不均，玻璃表面冷却不均；风嘴堵塞，部分风嘴不能正常送风辊道导热能力过大，与辊道接触的部位被迅速冷却，风栅辊道上的高温材料（石棉绳等）缠绕的均匀性等因素。

2.2.2　淬冷时应力形成

加热后的玻璃应力要完全释放，进入淬冷段后，玻璃开始按照设定速度进行冷却，表层温度下降，表层体积开始收缩，但玻璃中心层依然保持较高温度，体积还没得及发生变化，此时玻璃表层产生暂时张应力，稍内层产生暂时压应力，中心层出现应力松弛。此阶段玻璃很容易因为表层缺陷导致破裂。若玻璃板内温度均化不够，也会因为残余应力没有完全消除而破裂；随着玻璃内外层温度的进一步冷却，玻璃表层温度降低到Tg以下，玻璃表层硬化停止收缩，内层择继续收缩，直至温度降低到Tg。此时玻璃表层形成压应力，内层形成张应力。根据玻璃热历史，即使温度梯度消失，也不能完全消除，成为永久应力。2.2.3　冷却均匀性效果验证

冷却均匀性是相对比较难于验证。最直接的方式就是在控制出炉温度相对均匀后，以钢化后的效果作为判定依据。

应力

2

表1　不同风嘴高度下应力变化趋势

规格

温度

走速

第一段第二段第三段张应力压应力计算机械强度增加（kgf/cm）

87.295.1

6（C）G

675～690

260

4.7

4.4

14

95.8101107.5

平均值

97.3299.8100.7

6（C）G

675～690

260

4.7

4.4

14

9999.498.7

平均值

99.52

43.843.643.545.945.744.544.845.545.944.444.545.02

220.00

1400×750

6

212.84

1400×750

8

规格

风嘴高度

mm

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表2　双室炉风压和应力关系双室炉风压与应力关系

产品类型

温度

时间

淬火风压

压应力103.499.8

10（C）G

680～695

600S

500Pa

97.6101.5102.6

平均值

100.9898.597.9

10（C）G

680～695

600S

400Pa

98.410295.5

平均值

98.46

张应力45.445.644.644.844.945.0639.230.137.432.937.335.38

274×107

2000×4000

226.3×107

2000×4000

计算机械强度增加（kgf/cm2）

玻璃尺寸（mm）2.2.4　风嘴高度对张应力的影响

我们通过奥博特表面应力仪对全钢化玻璃不同风嘴高度下应力进行统计结果见表1。

从统计数据可以看出，降低风嘴到玻璃表面的高度（由8mm降低到6mm），6mm玻璃的机械强度变为原来的1.03倍；由于风嘴高度还会影响冷却时应力班效果（过低的风嘴高度会出现风嘴印）、玻璃弯曲撞风嘴等隐患，风嘴高度不是越低越高，而是选择优化的高度。

2.2.5　淬冷风压对张应力的影响

我们通过奥博泰表面应力仪对全钢化玻璃不同淬冷风压下应力进行了统计见表2。通过将风压进行优化调整玻璃表面压应力平均降低2.5MPa，玻璃表面张应力平均降低9.68MPa，相应的计算机械强度增加47.7×107kgf/cm2，是之前的1.21倍。

同时同一片玻璃上不同位置应力分布略有不同，冲击实验的颗粒情况如下：右侧张应力102MPa，压应力为32.9MPa位置颗粒数为45粒，左侧张应力95.5MPa，压应力为37.3MPa位置颗粒数为49粒。

图4　应力（张应力102，压应力32.9）图3　应力图（张应力98.5压应力39.2）

2.3　张应力对自爆的影响

玻璃经过钢化处理后，表面形成压应力，内部呈现张应力，压应力和张应力共同构建了一个平衡体。当玻璃体中含有较大体积的硫化镍颗粒时，硫化镍颗粒发生晶相转变，体积变大，对颗粒周围的玻璃产生足够大的张应力。钢化玻璃中间层是张应力层，如果硫化镍膨胀也发生在张应力层，那么两种应力叠加，就会使钢化玻璃内部承受巨大的张应力，足以引发玻璃的爆裂及生产“自爆”。一方面在生产过程中选择优质原片降低自爆，另一方面通过上述方法优化控制内部张应力的数值，也能从一定程度降低自爆。

图2　同一片玻璃不同位置颗粒与应力对应情况

（下转第8页）

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表14　我国平板玻璃行业单位产品能耗情况

指标名称

单位产品综合能耗 其中：浮法玻璃单位熔窑热耗 其中：浮法玻璃单位产品耗燃油（折合）单位产品耗电

单位kgce/重量箱kgce/重量箱kJ/kg玻璃液kJ/kg玻璃液kg/重量箱kWh/重量箱

2015年

13.8213.16 62646144 9.646.56

2016年

13.3112.34 60305764 9.116.51

2017年

13.2812.00 60175602 9.186.25

2018年

13.0311.77 59035496 8.926.39

2019年

13.2912.01 6024 5608 9.016.45

5　结　语

平板玻璃单位产品能耗是非常重要的指标。就目前平板玻璃行业的发展而言，它不仅是考核评价企业产品生产过程中的能源利用水平的指标，也是行业健康发展，新建和改扩建项目行业能耗准入的控制指标，更是各级工业和信息化主管部门及行业协会，在

淘汰平板玻璃落后产能以及树立节能减排标杆工作中不可或缺的主要依据。

所以，各级主管部门、行业协会、所有行业企业，要充分利用单位产品能耗指标的作用，不断优化升级产业装备，促进行业及企业节能降耗和污染减排，以实现进一步降低平板玻璃产品的能源消耗的目标。

（上接第13页）

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（上接第19页）

3　结　论

依据物理钢化玻璃应力形成机理，对物理钢化玻璃机械强度的影响因素的探究，在满足钢化玻璃压应力的前提下，通过适当降低物理钢化玻璃的内部张应力，能够从一定程度上提升物理钢化玻璃的机械强度（在1.03～1.3倍左右），同时对内部张应力的适当优化，对降低钢化玻璃自爆也有积极的意义。

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